1、第第8章章 化工設備機械設計應用化工設備機械設計應用 8.1 壓力容器設計壓力容器設計8.1.1 概述概述1壓力容器設計的任務壓力容器設計的任務1）根據(jù)工作需要和承受壓力能力，確定設計）根據(jù)工作需要和承受壓力能力，確定設計容器的結構型式。如矩形容器的結構型式。如矩形(箱形箱形)、球形或圓、球形或圓筒形。筒形。2）確定容器的壁厚。）確定容器的壁厚。3）選擇容器的附件，如支座、接管等。）選擇容器的附件，如支座、接管等。2容器所受裁荷容器所受裁荷1）壓力：內(nèi)壓、外壓。）壓力：內(nèi)壓、外壓。2）容器和物料凈重。）容器和物料凈重。3）自支承高聳容器上的風載荷與地震載荷。）自支承高聳容器上的風載荷與地震載荷

2、。4）管道和輔助設備所施加的載荷等。）管道和輔助設備所施加的載荷等。 3容器機械設計的基本要求容器機械設計的基本要求1）強度：容器應有抵抗外力破壞的能力。）強度：容器應有抵抗外力破壞的能力。2）剛度）剛度 ：零部件應有抵抗外力使其變形的能力。：零部件應有抵抗外力使其變形的能力。3）穩(wěn)定性：容器或其零部件在外力作用下應有維）穩(wěn)定性：容器或其零部件在外力作用下應有維 持其原有形狀的能力。持其原有形狀的能力。4）耐久性）耐久性 ：抵抗介質及大氣腐蝕的能力。：抵抗介質及大氣腐蝕的能力。5）氣密性）氣密性 ：容器在承受壓力或處理有毒介質時應：容器在承受壓力或處理有毒介質時應 密封防止泄漏。密封防止泄漏。

3、6）其他）其他 ：節(jié)約材料，便于制造，運輸、安裝、操：節(jié)約材料，便于制造，運輸、安裝、操 作、維修。作、維修。8.1.2 內(nèi)壓圓筒的強度計算內(nèi)壓圓筒的強度計算1. 壁厚計算壁厚計算n壁厚附加量C包括鋼板厚度負偏差C1，腐蝕裕度C2以及鋼材在加工和熱處理過程中損失的厚度C3。n負偏差C1小于設計厚度6%、且小于0.25mm時可以不計。 n當腐蝕和磨蝕速度大于0.1mm/a時，腐蝕裕度C2由設計者決定，腐蝕速度在0.10.05mm/a范圍內(nèi)，單面腐蝕和磨蝕取C22mm，雙面腐蝕或磨蝕取C24mm；腐蝕速度0.05mm/a時，單面腐蝕和磨蝕C21mm，雙面腐蝕和磨蝕C22mm。 n焊縫系數(shù)參照下表例

4、例8-1 液氨貯罐的筒體設計液氨貯罐的筒體設計已知條件：設計壓力已知條件：設計壓力p2.5MPa，操作溫度，操作溫度544，貯罐內(nèi)徑，貯罐內(nèi)徑Di1200mm，設計要求；確定筒體厚度、鋼材牌號。設計要求；確定筒體厚度、鋼材牌號。方案方案1：選用材料：選用材料16MnR鋼板鋼板,170MPan焊縫應為焊縫應為v型坡口雙面焊接，焊縫系數(shù)查得：型坡口雙面焊接，焊縫系數(shù)查得：0.85；鋼板負偏差；鋼板負偏差C0.8mm，腐蝕裕度由：，腐蝕裕度由：C2=1mm，則壁厚附加量，則壁厚附加量C 0.8+11.8mm。得得方案方案2： Q245鋼板鋼板 133MPa焊縫系數(shù)焊縫系數(shù)0.85；壁厚附加量；壁厚附

5、加量C=0.8+1=1.8mm。得得:兩種方案比較兩種方案比較（1）鋼板耗用量）鋼板耗用量采用采用16MnR時，鋼板相對重量比采用時，鋼板相對重量比采用Q245時可減輕。時可減輕。（2）制造費用）制造費用按設備重量計價，按設備重量計價，16MnR制造費用比較經(jīng)濟。制造費用比較經(jīng)濟。 8.1.3 封頭的厚度計算封頭的厚度計算 橢圓封頭橢圓封頭 8.1.4 外壓容器的設計外壓容器的設計1外壓容器的失穩(wěn)與臨界壓力外壓容器的失穩(wěn)與臨界壓力 當容器受外部受壓時當容器受外部受壓時(如有壓夾套內(nèi)層、真如有壓夾套內(nèi)層、真空容器等空容器等)，器壁亦會突然被壓癟，這種現(xiàn)象，器壁亦會突然被壓癟，這種現(xiàn)象叫失穩(wěn)，發(fā)生

6、失穩(wěn)的最小外壓叫臨界壓力叫失穩(wěn)，發(fā)生失穩(wěn)的最小外壓叫臨界壓力(PK)，而設計壓力應滿足。而設計壓力應滿足。2外壓圓筒的壁厚計算外壓圓筒的壁厚計算 當圓筒足夠長，兩端封頭的影響可忽略，當圓筒足夠長，兩端封頭的影響可忽略，稱為長圓筒稱為長圓筒(LLc）3外壓圓筒壁厚參考值。外壓圓筒壁厚參考值。容器長徑比公 稱 直 徑4005006007008009001000120014001600180020002200筒 體 壁 厚12345334443444.55444.55644.5566456884.5688568810688101068810128101012128101214148121414141

7、012141616容器容器長徑比長徑比公公 稱稱 直直 徑徑60070080010001200夾套內(nèi)壓力（夾套內(nèi)壓力（0.1MPa），容器內(nèi)壓力），容器內(nèi)壓力1MPa2.5462.5462.5462.5462.546筒筒 體體 壁壁 厚厚123456688868810106810101266881068101012810101212681010108101012128101214148101012128101414141012141618810121414101212141610121616204外壓封頭壁厚計算外壓封頭壁厚計算(1)橢圓形與碟形頭橢圓形與碟形頭n按鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定

8、，可按鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定，可用受內(nèi)壓用受內(nèi)壓(凹面受壓凹面受壓)時的計算公式計算。時的計算公式計算。但采用的計算壓力為設計外壓的但采用的計算壓力為設計外壓的1.25倍。倍。 CS0.5p-2kpDti例例8-2 苯乙烯精餾塔內(nèi)徑苯乙烯精餾塔內(nèi)徑2m，筒體高度，筒體高度20m，封頭總深，封頭總深度度2.5m，在，在120及真空度及真空度9.07104Pa(680mm汞柱汞柱)下下操作。材料選用操作。材料選用20g鋼板，試確定其壁厚。鋼板，試確定其壁厚。 解：解：(1)塔的計算長度塔的計算長度L（封頭長度取其深度的（封頭長度取其深度的l/3）)(34.205 . 23120mL(2)設筒

9、體計算厚度設筒體計算厚度15mm，臨界長度，臨界長度)(63.27015. 003. 203. 218. 1/18. 10mSDDLwwcL(3)壁厚壁厚n按短圓筒計算：按短圓筒計算：n查得在查得在t=120時，時，E=1.94105MPa，p取取0.1MPa。因腐蝕性不大，。因腐蝕性不大，C取取2mm；n按鋼板厚度規(guī)格，取按鋼板厚度規(guī)格，取S=20mmCDLEpDSww4 . 0)6 . 23()(0185. 0002. 0)03. 21094. 16 . 234.201 . 03(03. 24 . 05mScLLmLc)(3 .2402. 004. 204. 218. 1S)(0186.

10、0002. 0)04. 21094. 16 . 234.201 . 03(04. 24 . 05mS(4)復核復核 復核復核：(5)封頭厚度封頭厚度n實際上取封頭厚度與筒體相同實際上取封頭厚度與筒體相同S20mm。 )(0032. 0002. 01 . 025. 15 . 08 . 0132221 . 025. 11.25p0.5-2Dp1.25tmCS8.2 塔設備設計示例塔設備設計示例8.2.1 塔設備的機械設計塔設備的機械設計 塔設備在操作時，塔體及裙座可能受到以下幾種載塔設備在操作時，塔體及裙座可能受到以下幾種載荷的作用：荷的作用：n操作壓力：對塔體形成軸向和環(huán)向載荷，但對裙座則不操作

11、壓力：對塔體形成軸向和環(huán)向載荷，但對裙座則不起作用。起作用。n塔的重量塔的重量 ：塔體：塔體(Q1)、內(nèi)件、內(nèi)件(Q2)、保溫材料、保溫材料(Q3)、平臺、平臺及扶梯及扶梯(Q4)、物料、物料(Q5)、裙座、裙座(Q6)、水壓試驗時充水量、水壓試驗時充水量(Q7)及其他附件及其他附件(Q8)等重量形成，塔體及裙座的軸向載等重量形成，塔體及裙座的軸向載荷及可能有的偏心載荷。荷及可能有的偏心載荷。n風力作用：主要對塔體及裙座形成彎矩和剪力。風力作用：主要對塔體及裙座形成彎矩和剪力。n地震影響地震影響 ：其中水平地震力影響最大，對塔體與裙座：其中水平地震力影響最大，對塔體與裙座構成彎矩與剪力。構成彎

12、矩與剪力。 n進行塔設備的機械設計，必須對以上幾種因素形成進行塔設備的機械設計，必須對以上幾種因素形成的載荷逐一進行計算，求出需要計算的橫截面上各的載荷逐一進行計算，求出需要計算的橫截面上各種載荷引起的最大應力，然后應用疊加原理求出疊種載荷引起的最大應力，然后應用疊加原理求出疊加后的最大組合應力，再據(jù)以確定塔體及裙座等結加后的最大組合應力，再據(jù)以確定塔體及裙座等結構的尺寸。構的尺寸。8.3 攪拌反應釜設計示例攪拌反應釜設計示例8.3.1 攪拌反應釜機械設計依據(jù)攪拌反應釜機械設計依據(jù)n攪拌反應釜的機械設計是建立在工藝設計的基礎上，攪拌反應釜的機械設計是建立在工藝設計的基礎上，工藝要求是確定攪拌反

13、應釜機械設計的主要依據(jù)。工藝要求是確定攪拌反應釜機械設計的主要依據(jù)。n攪拌反應釜的工藝要求通常包括反應釜的容積、最攪拌反應釜的工藝要求通常包括反應釜的容積、最大工作壓力、工作溫度、工作介質及腐蝕情況、傳大工作壓力、工作溫度、工作介質及腐蝕情況、傳熱面積、換熱方式、轉速及功率、接口管方位與尺熱面積、換熱方式、轉速及功率、接口管方位與尺寸地確定等。通常這些條件都以表格示意圖的形式寸地確定等。通常這些條件都以表格示意圖的形式反映在設計任務書中。反映在設計任務書中。8.3.2 攪拌反應釜機械設計內(nèi)容攪拌反應釜機械設計內(nèi)容攪拌反應釜機械設計包括：攪拌反應釜機械設計包括：1）確定攪拌反應釜的結構型式和尺寸

14、；）確定攪拌反應釜的結構型式和尺寸；2）選擇材料；）選擇材料；3）計算強度；）計算強度；4）選用主要零件；）選用主要零件；5）繪圖圖樣；）繪圖圖樣；6）提出技術要求。）提出技術要求。8.3.3 罐體和夾套的結構設計罐體和夾套的結構設計 罐體一般為立式圓筒形容器，有頂蓋、筒體和罐罐體一般為立式圓筒形容器，有頂蓋、筒體和罐底。夾套的型式與罐體相同。底。夾套的型式與罐體相同。1. 罐體幾何尺寸計算罐體幾何尺寸計算（1）確定筒體內(nèi)徑）確定筒體內(nèi)徑 m 式中：式中：nV工藝條件給定的容積，工藝條件給定的容積，m3；nI長徑比，長徑比， 341iVD11DHi 種類設備內(nèi)物料類型i一般攪拌器液-固相或液-

15、液相物料1-1.3氣-液相物料1-2發(fā)酵罐類1.7-2.5 幾種攪拌釜的長徑比i值（2）確定封頭尺寸）確定封頭尺寸n橢圓封頭選標準件橢圓封頭選標準件JB/T4746-2002鋼制壓力容器鋼制壓力容器封頭封頭。（3）確定筒體高度）確定筒體高度H12114DVVHhV-釜體容積，釜體容積，m3；H1-筒體高度，筒體高度，m；D1-筒體內(nèi)徑，筒體內(nèi)徑，m；Vh-下封頭所包含的容積，下封頭所包含的容積，m3。（4）夾套尺寸計算）夾套尺寸計算n 容器夾套的常用結構如下圖所示。夾套與筒體的容器夾套的常用結構如下圖所示。夾套與筒體的連接常焊接成封閉結構。連接常焊接成封閉結構。 夾套內(nèi)徑夾套內(nèi)徑D2可根據(jù)筒體

16、內(nèi)徑可根據(jù)筒體內(nèi)徑D1決定，按下表選取。決定，按下表選取。D1500600700180020003000D2D1+50D1+100D1+200夾套直徑夾套直徑D2n夾套高由傳熱面積決定，不能低于料液高。通常由工藝夾套高由傳熱面積決定，不能低于料液高。通常由工藝給定裝料系數(shù)給定裝料系數(shù)，或根據(jù)已知容積和操作容積進行計算，或根據(jù)已知容積和操作容積進行計算，即；即；=操作容積操作容積/全容積。全容積。n通常取通常取=0.60.85。如物料在反應過程中起泡沫或呈。如物料在反應過程中起泡沫或呈沸騰狀態(tài)，沸騰狀態(tài)，應取低值。夾套高度按下式估算。應取低值。夾套高度按下式估算。2124DVVHhV釜體容積，單

17、位為釜體容積，單位為m3；H2夾套高度，單位為夾套高度，單位為m；D1筒體內(nèi)徑，單位為筒體內(nèi)徑，單位為m；Vh下封頭所包含的容積，單位為下封頭所包含的容積，單位為m3；工藝給定裝料系數(shù)。工藝給定裝料系數(shù)。n夾套所包圍罐體的表面積（筒體表面積夾套所包圍罐體的表面積（筒體表面積F筒筒+封頭表封頭表面積面積F封）一定要大于工藝要求的傳熱面積封）一定要大于工藝要求的傳熱面積F ，即，即 F筒筒+F封封F2筒體厚度和封頭厚度的確定筒體厚度和封頭厚度的確定 n對于不帶夾套的筒體及上、下封頭，其厚度按內(nèi)壓對于不帶夾套的筒體及上、下封頭，其厚度按內(nèi)壓容器壁厚計算式確定，設計壓力可選取釜體內(nèi)部的容器壁厚計算式確

18、定，設計壓力可選取釜體內(nèi)部的最高工作壓力。最高工作壓力。n如果釜體外壁有夾套，則筒體及下封頭的厚度應分如果釜體外壁有夾套，則筒體及下封頭的厚度應分別按承受內(nèi)壓和外壓進行計算。按內(nèi)壓計算時，最別按承受內(nèi)壓和外壓進行計算。按內(nèi)壓計算時，最大壓力差為釜體內(nèi)的工作壓力；當釜體內(nèi)為真空操大壓力差為釜體內(nèi)的工作壓力；當釜體內(nèi)為真空操作時，需按外壓計算，最大壓力差為夾套內(nèi)的工作作時，需按外壓計算，最大壓力差為夾套內(nèi)的工作壓力或夾套內(nèi)的工作壓力加壓力或夾套內(nèi)的工作壓力加0.1MPa。若上下封頭。若上下封頭不被夾套包圍，則不承受外壓作用，只按內(nèi)壓設計，不被夾套包圍，則不承受外壓作用，只按內(nèi)壓設計，但通常取與下封

19、頭相同的壁厚。但通常取與下封頭相同的壁厚。8.3.4 攪拌裝置設計攪拌裝置設計n攪拌裝置選型通常是工藝設計任務，也可按下表選取攪拌裝置選型通常是工藝設計任務，也可按下表選取JDD /1JDH /08.3.5 攪拌軸設計攪拌軸設計1攪拌軸的材料選用攪拌軸的材料選用n攪拌軸的材料常用攪拌軸的材料常用45鋼，有時還需要適當?shù)臒崽幚?，鋼，有時還需要適當?shù)臒崽幚?，以提高軸的強度和耐磨性。對于要求較低的攪拌軸以提高軸的強度和耐磨性。對于要求較低的攪拌軸可采用普通碳素鋼制造。當耐磨性要求較高或釜內(nèi)可采用普通碳素鋼制造。當耐磨性要求較高或釜內(nèi)物料不允許被鐵離子污染時，應當采用不銹鋼或采物料不允許被鐵離子污染時

20、，應當采用不銹鋼或采取防腐措施。取防腐措施。2攪拌軸直徑的計算攪拌軸直徑的計算n攪拌軸的直徑同時滿足強度和剛度兩個條件，取攪拌軸的直徑同時滿足強度和剛度兩個條件，取兩者較大者。另外還要考慮到軸上鍵或孔對軸截兩者較大者。另外還要考慮到軸上鍵或孔對軸截面的局部削弱，介質腐蝕的影響。面的局部削弱，介質腐蝕的影響。n綜合以上因素，攪拌軸直徑應按計算直徑給予適綜合以上因素，攪拌軸直徑應按計算直徑給予適當增大，并圓整到適當軸徑。當增大，并圓整到適當軸徑。（1）攪拌軸的強度計算）攪拌軸的強度計算n軸的扭轉強度條件為軸的扭轉強度條件為 pTWMmaxnPMT61055. 9163dWP 3365nPd式中式中:d攪拌軸